LC-Massenspektrometer für die intramolekulare Analyse natürlicher Isotopenverhältnisse

• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie
• Förderung: Förderung in 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 527844764

Substanz spezifische Isotopenanalytik (Compound-specific isotope analysis, CSIA) hat unsere Möglichkeiten revolutioniert, das Schicksal von organischen Umweltkontaminanten zu erforschen. Durch Gas- oder Flüssigchromatographie (GC, LC) gekoppelt mit Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie (isotope ratio mass spectrometry, IRMS) wurden natürlich vorkommende stabile Isotopenverhältnissen (13C/12C, 15N/14N, etc.) von Molekülen zugänglich. Solch isotopische Fingerabdrücke können die Herkunft von Grundwasserkontaminanten nachweisen. Änderungen über die Zeit können natürlichen Abbau aufzeigen, und sogar zugrundeliegende Abbaumechanismen entschlüsseln. Aktuelle Fragen in der Umweltchemie bewegen sich jedoch von der ursprünglichen Erfolgsgeschichte (unpolare organische Substanzen von niedrigem Molekulargewicht in Altlasten) hin zum Verhalten von Pestiziden und Pharmaka in der Umwelt mit größeren molekularen Strukturen und größerer Polarität. Dies reduziert die Möglichkeiten von CSIA in seiner aktuellen Form. Erstens sind hochmolekulare polare Verbindungen nicht GC-gängig und müssen flüssigchromatographisch getrennt werden. Hier ist CSIA nicht kompatibel mit dem Einsatz von organischen Eluenten. Zweitens erzeugen Abbaureaktionen Isotopeneffekte nur in spezifischen molekularen Positionen. Diese werden "verdünnt" - und messbare Isotopenveränderungen im molekularen Durchschnitt werden zunehmend klein - wenn die Molekülgröße ansteigt. Drittens bieten höhermolekulare Verbindungen mehr unterscheidbare Positionen für isotopische Fingerabdrücke. Diese bleiben jedoch ungenutzt, wenn CSIA nur den molekularen Durchschnitt analysiert. Wir beantragen daher Finanzierung für ein LC-Hybrid-Massenspektrometer, um Fragment- oder sogar Positions-spezifische Isotopenverhältnisse in polaren organischen Substanzen zu erschließen. Die Fragmentierung und hohe Massenauflösung kann Element-spezifische Information in definierten molekularen Fragmenten oder Positionen zugänglich machen, und der Ansatz ist kompatibel mit höhermolekularen polaren Verbindungen. Die Machbarkeit wurde kürzlich für einfache Verbindungen wie Oxyanionen (z.B. Nitrat) gezeigt, und für Methionin unter Nutzung von bereits vorhandenen Isotopenstandards. Mit dem beantragten Instrument möchten wir den Ansatz auf breiterer Basis für wichtige Umweltkontaminanten und Biomoleküle vorantreiben: (i) Standards mit bekannter intramolekularer Zusammensetzung synthetisieren; (ii) isotopisches Fingerprinting zur Verfolgung von Quellen und biosynthetischen Flüsse erforschen; (iii) Positions-spezifische Isotopeneffekte zur Charakterisierung von Transformationsreaktionen erkunden; (iv) die Quantifizierungsgrenzen für präzise Fragment-spezifische Isotopenanalytik ausloten und (v) Anwendungen in benachbarte Disziplinen vorspuren, zur Charakterisierung von Metabolismus und Stoffwechselstörungen in Mikrobiologie und Medizin.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: LC-Massenspektrometer für die intramolekulare Analyse natürlicher Isotopenverhältnisse
• Gerätegruppe: 1700 Massenspektrometer
• Antragstellende Institution: Technische Universität München (TUM)
• Leiter: Professor Dr. Martin Elsner